Princeton-onderzoekers hebben een eenvoudige en economische manier gevonden om de efficiëntie van organische zonnecellen bijna te verdrievoudigen, de goedkope en flexibele plastic apparaten die volgens veel wetenschappers de toekomst van zonne-energie zouden kunnen zijn.

De onderzoekers, onder leiding van elektrotechnisch ingenieur Stephen Chou, waren in staat om de efficiëntie met 175 procent te verhogen door een nanogestructureerde "sandwich" van metaal en plastic te gebruiken die licht verzamelt en vangt. Chou zei dat de technologie ook de efficiëntie van conventionele anorganische zonnecollectoren zou moeten verhogen, zoals standaard silicium zonnepanelen, hoewel hij waarschuwde dat zijn team het onderzoek met anorganische apparaten nog niet heeft voltooid.

Chou zei dat het onderzoeksteam nanotechnologie gebruikte om twee primaire uitdagingen te overwinnen die ervoor zorgen dat zonnecellen energie verliezen:licht dat door de cel wordt gereflecteerd, en het onvermogen om het licht dat de cel binnenkomt volledig op te vangen.

Met hun nieuwe metalen sandwich, de onderzoekers waren in staat om beide problemen aan te pakken. De sandwich - een subgolflengte plasmonische holte genoemd - heeft een buitengewoon vermogen om reflectie te dempen en licht op te vangen. Dankzij de nieuwe techniek kon het team van Chou een zonnecel maken die slechts ongeveer 4 procent van het licht reflecteert en maar liefst 96 procent absorbeert. Het toont een 52 procent hoger rendement bij het omzetten van licht in elektrische energie dan een conventionele zonnecel.

Dat is voor direct zonlicht. De structuur bereikt nog meer efficiëntie voor licht dat onder grote hoeken op de zonnecel valt, die optreedt op bewolkte dagen of wanneer de cel niet direct naar de zon is gericht. Door deze schuine stralen op te vangen, de nieuwe structuur verhoogt de efficiëntie met nog eens 81 procent, wat leidt tot de totale stijging van 175 procent.

De fysica achter de innovatie is formidabel complex. Maar de apparaatstructuur, in concept, is vrij eenvoudig.

De bovenste laag, bekend als de raamlaag, van de nieuwe zonnecel maakt gebruik van een ongelooflijk fijn metalen gaas:het metaal is 30 nanometer dik, en elk gat heeft een diameter van 175 nanometer en een onderlinge afstand van 25 nanometer. Dit gaas vervangt de conventionele raamlaag die typisch is gemaakt van een materiaal dat indium-tin-oxide (ITO) wordt genoemd.

De mesh-vensterlaag wordt zeer dicht bij de onderste laag van de sandwich geplaatst, dezelfde metaalfilm die wordt gebruikt in conventionele zonnecellen. Tussen de twee metalen platen zit een dunne strook halfgeleidend materiaal dat wordt gebruikt in zonnepanelen. Het kan elk type zijn - silicium, plastic of galliumarsenide - hoewel het team van Chou een 85 nanometer dik plastic gebruikte.

De kenmerken van de zonnecel - de afstand van het gaas, de dikte van de boterham, de diameter van de gaten – zijn allemaal kleiner dan de golflengte van het licht dat wordt opgevangen. Dit is van cruciaal belang omdat licht zich op zeer ongebruikelijke manieren gedraagt ​​in subgolflengtestructuren. Chou's team ontdekte dat het gebruik van deze subgolflengtestructuren hen in staat stelde een val te creëren waarin licht binnenkomt, met bijna geen reflectie, en gaat niet weg.

"Het is als een zwart gat voor licht, "Zei Chou. "Het houdt het vast."

Het team noemt het systeem een ​​"plasmonische holte met subgolflengte-gatarray" of PlaCSH. Foto's van het oppervlak van de PlaCSH-zonnecellen tonen dit lichtabsorberende effect:onder zonlicht, een standaard zonne-energiecel ziet er gekleurd uit door licht dat van het oppervlak weerkaatst, maar de PlaCSH ziet er diep zwart uit vanwege de extreem lage lichtreflectie.

De onderzoekers verwachtten een verhoging van de efficiëntie van de techniek, "maar de stijging die we vonden was duidelijk boven onze verwachtingen, ' zei Cho.

Chou en afgestudeerde student Wei Ding rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Optica Express , online gepubliceerd op 28 november 2012. Hun werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency, het Office of Naval Research en de National Science Foundation.

De onderzoekers zeiden dat de PlaCSH-zonnecellen kosteneffectief kunnen worden vervaardigd in vellen van behangformaat. Chou's lab gebruikte "nano-imprint, " een goedkope nanofabricagetechniek die Chou 16 jaar geleden uitvond, die nanostructuren reliëf over een groot gebied, zoals het drukken van een krant.

Naast het innovatieve ontwerp, de werkzaamheden bestonden uit het optimaliseren van het systeem. De structuur precies goed krijgen "is van cruciaal belang voor het bereiken van een hoge efficiëntie, " zei Ding, een afgestudeerde student elektrotechniek.

Chou zei dat de ontwikkeling een aantal toepassingen kan hebben, afhankelijk van het type zonnecollector. In deze reeks experimenten Chou en Ding werkten met zonnecellen gemaakt van plastic, organische zonnecellen genoemd. Plastic is goedkoop en kneedbaar en de technologie belooft veel, maar het is beperkt in commercieel gebruik vanwege het lage rendement van organische zonnecellen.

Naast een directe verhoging van de efficiëntie van de cellen, de nieuwe nanogestructureerde metaalfilm vervangt ook de huidige ITO-elektrode, het duurste onderdeel van de meeste huidige organische zonnecellen.

"PlaCSH is ook extreem buigzaam, " zei Chou. "De mechanische eigenschap van ITO is als glas; het is erg broos."